孔板和文丘里管復(fù)合結(jié)構(gòu)空化器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(1.西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039;2.國網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 404100)

·能源與環(huán)境·

孔板和文丘里管復(fù)合結(jié)構(gòu)空化器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

曾章美1，劉小兵1*，蘭 崴2，黃長久1， 柯 強(qiáng)1，安滿意1

(1.西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039;2.國網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 404100)

利用ANSYS-CFX軟件，在相關(guān)水力裝置空化器研究的基礎(chǔ)上，對(duì)孔板和文丘里管復(fù)合結(jié)構(gòu)空化器的空化效果進(jìn)行模擬優(yōu)化。在孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)相同、位置一定的條件下，對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)空化器的空化流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探討3種不同形式的文丘里管喉部結(jié)構(gòu)對(duì)空化效果的影響。通過對(duì)空化流場(chǎng)的壓力分布、空泡體積分?jǐn)?shù)以及汽含率的分析，結(jié)果表明：文丘里管喉部結(jié)構(gòu)形式對(duì)空化效果有著明顯的影響，在相同的邊界條件下，急劇型的復(fù)合結(jié)構(gòu)空化器空化效果更強(qiáng)。

水力空化；文丘里管；數(shù)值模擬；優(yōu)化

空化是液體內(nèi)局部壓力降低時(shí)，液體內(nèi)部或液固交界面上蒸氣或氣體的空穴(空泡)的形成、發(fā)展和潰滅過程?？栈l(fā)生時(shí)伴隨著巨大的能量變化，利用該能量可以促進(jìn)物理、化學(xué)過程的發(fā)生。

空化器是利用水力空化技術(shù)對(duì)水進(jìn)行處理，原理是當(dāng)水流流過收縮裝置時(shí)，過流斷面急劇變化，水流被增速降壓，當(dāng)壓強(qiáng)降到水溫汽化壓強(qiáng)下時(shí)發(fā)生空化。空化效果強(qiáng)弱影響空化器的效率，確定最優(yōu)的復(fù)合空化器結(jié)構(gòu)參數(shù)，強(qiáng)化空化效果，設(shè)計(jì)出具有高效率的空化器裝置對(duì)生產(chǎn)、生活有著重要的意義。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)水力空化裝置進(jìn)行了探討研究。例如：Yu H.等設(shè)計(jì)、制造、測(cè)量微文丘里管用于微流控系統(tǒng)[1]；S. Uesawa 等對(duì)文丘里管內(nèi)空泡破滅過程做了詳細(xì)的研究[2]；王智勇等針對(duì)不同壓力、不同喉部直徑和擴(kuò)散段長度對(duì)文丘里管內(nèi)部空化現(xiàn)象的影響進(jìn)行數(shù)值模擬[3]；章昱等采用標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型對(duì)孔板水力空化裝置進(jìn)行數(shù)值模擬，探討了空化效應(yīng)強(qiáng)度的影響因素[4]；王海平等對(duì)用于濕氣測(cè)量的文丘里管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，找到了優(yōu)化參數(shù)[5]。但這些研究一般都集中于單獨(dú)的孔板或文丘里管水力空化裝置的研究。本文在結(jié)合孔板和文丘里管復(fù)合空化器最佳結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，改變文丘里管喉部結(jié)構(gòu)，利用ANSYS-CFX軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式下的空化流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得壓力分布、空泡體積分?jǐn)?shù)及汽含率等數(shù)據(jù)，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，得出高效率的復(fù)合空化器結(jié)構(gòu)形式，為水力空化發(fā)生器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。本文探討的優(yōu)化裝置用途廣泛，如用于油廢水處理[6]、水電站的洞塞消能、生物工程領(lǐng)域中的細(xì)胞破壁等。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1數(shù)學(xué)模型的建立

采用NX6.0軟件建立文丘里管和孔板復(fù)合空化器三維模型，模擬采用的文丘里管的參數(shù)為：管路直徑為32 mm，進(jìn)出口錐角分別為40°和10°，喉部直徑為14 mm，長12 mm。孔板安放在離文丘里管進(jìn)口33.8 mm處，直徑與文丘里管喉部直徑相同，小孔直徑為1 mm，按45°均勻分布，共17個(gè)。此次設(shè)計(jì)了3種文丘里管的喉部結(jié)構(gòu)形式，分別為平滑型空化器(圖1(a))、急劇型空化器(圖1(b))和漸緩型空化器(圖1(c))。

(a)平滑型空化器

(b)急劇型空化器

(c)漸緩型空化器

1.2湍流模型的選擇

文丘里管里的水流視為不可壓縮的穩(wěn)定流動(dòng)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，湍動(dòng)能黏度μt=ρCμk2/ε，其中k和ε是2個(gè)基本未知量，與之相對(duì)應(yīng)的運(yùn)輸方程[7]為：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk；

(1)

(2)

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb是由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk和σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率對(duì)應(yīng)ε的Prandtl數(shù)；Sk和Sε是用戶定義的源項(xiàng)。考慮流動(dòng)為不可壓縮流體且不考慮用戶自定義源項(xiàng)，則標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型變?yōu)椋?/p>

(3)

(4)

式中：C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

1.3網(wǎng)格劃分方法

采用ANSYS-CFX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。利用ICEM-CFD對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格計(jì)算，通過檢查網(wǎng)格質(zhì)量，將網(wǎng)格質(zhì)量低于0.3的區(qū)域進(jìn)行局部加密處理，刪除不符合質(zhì)量的網(wǎng)格。第1種結(jié)構(gòu)的模型單元網(wǎng)格總數(shù)為14萬575 9，第2種結(jié)構(gòu)的模型單元網(wǎng)格總數(shù)為14萬180 9，第3種結(jié)構(gòu)的模型單元網(wǎng)格總數(shù)為22萬170 6。

1.4邊界條件設(shè)定

選取25 ℃水和25 ℃的水蒸氣為對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)置進(jìn)口為速度進(jìn)口，速度為3 m/s，出口設(shè)為壓力出口，出口壓力為0 Pa,水的表面張力為0.717 N/m，密度為998 kg/m3，設(shè)定不可壓縮相為水。由于本文中模擬的復(fù)合空化器的空化流場(chǎng)存在氣液兩相的轉(zhuǎn)換，屬于兩相流范疇，故選取多相流中的混合模型(mixture model)。在低壓區(qū)引入空化模型，設(shè)定25 ℃水的飽和蒸汽壓為317 0 Pa，壓力插值選用線性插值，對(duì)流相的離散格式采用一階迎風(fēng)，設(shè)定殘差收斂精度為1×10-4。時(shí)間控制選擇自動(dòng)時(shí)間控制，模擬3種結(jié)構(gòu)模型的空化流場(chǎng)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1壓力分布

在進(jìn)口速度為3 m/s，出口壓力為0 Pa的條件下，3種結(jié)構(gòu)形式的文丘里孔板復(fù)合器壓力分布如圖2所示?？梢钥闯?，3種結(jié)構(gòu)形式的空化器的壓力大體都呈梯度分布。沿著流動(dòng)方向壓力逐漸降低，當(dāng)達(dá)到氣體飽和壓力時(shí)發(fā)生空化，在喉部與孔板連接區(qū)域壓力最低，隨后壓力逐漸升高。平滑型和急劇型、漸緩型空化器的差別在于平滑型空化器未在縮頸處出現(xiàn)壓力最低點(diǎn)。其原因是由于平滑型的縮頸處和擴(kuò)頸處是弧形結(jié)構(gòu)，水流在這個(gè)位置的過渡較急劇型、漸緩型空化器平緩，則速度增大較緩慢，因此沒出現(xiàn)壓力最低點(diǎn)。3種結(jié)構(gòu)中急劇型空化器壓力變化急劇，低壓區(qū)的范圍較大，更有利于空化的發(fā)生。

圖2 復(fù)合空化器壓力分布

2.2湍動(dòng)能和空化數(shù)

圖3為3種結(jié)構(gòu)空化器的湍動(dòng)能分布圖?？芍?種結(jié)構(gòu)的空化器湍動(dòng)能突增都發(fā)生在孔板處。湍動(dòng)能是由空化現(xiàn)象引起的，當(dāng)水流流經(jīng)小孔時(shí)，過流斷面急劇變化，水流速度急劇增加，導(dǎo)致壓力突降，當(dāng)壓力降到水的汽化壓力下時(shí)產(chǎn)生空泡。在空泡產(chǎn)生和潰散的時(shí)候，流場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的擾動(dòng)，脈動(dòng)壓力增加，湍動(dòng)能也就相應(yīng)升高[10]。從圖中可以看出喉部結(jié)構(gòu)的變化對(duì)空化器的湍動(dòng)能也有一定的影響。

空化數(shù)是描述空化初生和空化狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，其定義[3]為

(5)

式中：p和v分別為液體中某一選定點(diǎn)的絕對(duì)壓強(qiáng)和流速；pv為某一溫度下的液體飽和蒸汽壓；ρ為液體密度。

空化數(shù)用來判斷空化初生和衡量空化強(qiáng)度，還可以描述設(shè)備對(duì)空化破壞的抵抗能力以及衡量不同流場(chǎng)空化現(xiàn)象的相似性[8]。

根據(jù)式(5)計(jì)算3種喉部結(jié)構(gòu)空化器孔板處(X=33.8 mm)空化區(qū)的空化數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 空化數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表中計(jì)算結(jié)果可知，3種結(jié)構(gòu)形式的空化器中，急劇型空化器的空化數(shù)最小，說明突變的收縮和擴(kuò)張喉部結(jié)構(gòu)比流線型斷面的喉部結(jié)構(gòu)空化數(shù)小，即急劇型空化器發(fā)生的空化最劇烈。通過空化數(shù)的對(duì)比，說明3種空化器發(fā)生的空化程度不同，喉部結(jié)構(gòu)的形式會(huì)影響復(fù)合空化器的空化效果。

圖3 湍動(dòng)能云圖

2.3空泡體積分?jǐn)?shù)

圖4為3種結(jié)構(gòu)形式的空化器在相同模擬條件下的空泡體積分?jǐn)?shù)分布圖?？栈l(fā)生時(shí),由于液體的汽化以及含有的微小氣化核心成長為氣泡,致使液體中出現(xiàn)大量的空化泡,形成液體-空化泡共存的氣液兩相流[3]。空化發(fā)生的程度不同，產(chǎn)生的空泡數(shù)量就不同，空泡數(shù)量可以看出空化效果的強(qiáng)弱。從圖中可以看出，空泡發(fā)生在孔板小孔的周圍，A區(qū)域越多代表空泡含量越大。3種結(jié)構(gòu)形式空化器中急劇型空化器出現(xiàn)的空泡數(shù)量最多，因此急劇型空化器的空化效果最好。

圖4 空泡體積分?jǐn)?shù)

2.4沿管軸汽含率分布

圖5示出3種空化發(fā)生器沿管軸的汽含率分布曲線。汽含率是氣相和液相中氣相所占的體積分?jǐn)?shù)，即空泡體積分?jǐn)?shù)[9]，其定義為

(6)

式中：Vg是氣體在兩相中所占的體積；V1為液體在兩相中所占的體積。

圖5中X軸坐標(biāo)表示離文丘里管進(jìn)口的距離，縱坐標(biāo)是該位置上空泡體積分?jǐn)?shù)?？芍?種空化器的汽含率曲線大致相同，空泡均出現(xiàn)在X軸30～50 mm處。在X軸35～40 mm處空泡初生，急劇型空化器汽含率從0迅速增加，達(dá)到最大值0.5后，隨后又迅速下降至0.05，在X軸40～45 mm處，汽含率從0.05緩慢下降直至為0，此過程空泡潰滅。平滑型空化器汽含率在X軸35～40 mm處迅速增加達(dá)到最大值0.35，隨后也是迅速下降，直至空泡含量為0。漸緩型空化器汽含率變化趨勢(shì)和急劇型、平滑型空化器相同，在X軸35～40 mm處迅速增加為0.21，在X軸40 mm以后迅速減小，在X軸42.5～45 mm處再次出現(xiàn)空泡，但是含量很小，不足0.1。對(duì)比3條汽含率曲線可知，急劇型空化器平均汽含率高于其他兩種形式。汽含率越大表示空泡含量越大，空化發(fā)生得越強(qiáng)烈，則空化器的效果越好[11]，因此3種形式中急劇型空化器空化效果最好。

圖5 沿管軸汽含率分布圖

3 結(jié)論

本文利用ANSYS-CFX軟件，在孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)相同和位置相同的情況下，對(duì)文丘里管喉部結(jié)構(gòu)不同的3種復(fù)合結(jié)構(gòu)空化器的空化流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對(duì)壓力分布和空泡體積分?jǐn)?shù)的分析，得出以下結(jié)論。

1)對(duì)于3種結(jié)構(gòu)形式的孔板和文丘里管復(fù)合結(jié)構(gòu)空化器，平滑型和漸緩型空化器空化主要發(fā)生在喉部錐角擴(kuò)散段，急劇型空化器發(fā)生在整個(gè)喉部。

2)文丘里管喉部結(jié)構(gòu)對(duì)空化器空化效果有著較大的影響，在孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)和安放位置相同的情況下，喉部的縮頸處和擴(kuò)頸處越急劇，壓力變化幅度越大，空化越強(qiáng)，空化效果越好。3種不同結(jié)構(gòu)形式的空化器中急劇型的空化器效果最好。

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(編校：夏書林)

TheOptimizationDesignofOrificePlateandVenturi-tubeCompositeStructureofCavitator

ZENG Zhang-mei1， LIU Xiao-bing1*，LAN Wei2, HUANG Chang-jiu1， KE Qiang1， AN Man-yi1

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China；2.StateGridChongqingElectricPowerCompany,Chongqing404100China)

Based on the study of related hydraulic device cavitation machine, the cavitation effect of Orifice plate and venturi-tube composite structure was optimized through the simulation which provided in the ANSYS - CFX software. With the same structural parameters and the same place of Orifice plate, the effect of three different forms of Venturi- tube throat structure on the cavitation was analyzed through the numerical simulation of cavitating flow . Through analysis of the pressure distribution and the vapor volume fraction on cavitation flow field, we obtained better structure of cavitation. The results showed that the structure of Venturi-tube throat had an important effect on cavitation. Under the same boundary conditions, the sharp type structure of Venturi-tubethroat is optimal .

hydrodynamic cavitation ; vapor fraction ; numerical simulation; optimization

2015-02-03

國家自然科學(xué)基金(51279172)；西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(ycjj2014169)。

：劉小兵(1965—)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械的設(shè)計(jì)和開發(fā). E-mail:liuxb@mail.xhu.edu.cn.

TK72

：A

：1673-159X(2015)06-0092-04

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.06.019

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